. 基于51单片机的超声波测距仪设计摘要： 本方案以stc89c52为核心，通过编程（C语言）来实现该单片机对外围电路的适时控制，并提供给外围电路各种所需的信号和接收超声波反射回来的微小信号，包括频率振荡信号，时钟信号，数据处理信号和显示信号等等。其核心功能是对距离的检测并实时的进行距离的显示，在检测距离方面通过发射端与接收端的时间差来计算，理论上所测距离与其时间差成线性关系，所以可以通过线性回归统计方法求出实际距离与所求距离的关系。该电路简化了一些外围电路，任能做到较为精确的测量工作，由于是采用程控操作，所以其移植性和可扩展性还是较好。在设计时分，分模块进行设计来实现各部分功能，简化了在设计过程中的调试难度。关键词： 超声波测距、单片机控制、液晶显示、距离报警、线性回归Abstract：This program stc89c52 programming (C language) to achieve the timely control of the single-chip peripheral circuits, and made available to the peripheral circuits of the desired signal and receiving the ultrasonic reflected the small signal, including frequency oscillation signal, the clock signal, data signal processing and display signals, and so on. The its core function is to to the detection of pairs the distance and real-time of the carried out the distance the display of goes as follows. In the to calculate the, in the the detection distance aspects of through the launch of the-side with the the time of the the receiving end is poor, in theory, the measured distance with its time difference into a linear the relationship between, so can through the the linear regression statistical methods calculate the actual distance of the seek distance relationship. The circuit simplifies the peripheral circuit, any more accurate measurements can be done, because it is programmed operation, its portability and scalability better. Hours of the design, the sub-module design to achieve the function of each, and simplifies the debugging difficulty in the design process.Keywords:Ultrasonic Ranging, MCU control, LCD, alarm of distance ,linear regression 目录1前言31.1 课题的研究背景和意义31.2 课题的国内外研究现状32 总体方案设计42.1超声波测距的原理42.2超声波传感器的工作原理及结构图43单元模块设计53.1各单元模块功能介绍及电路设计53.2 AT89S52型单片机介绍63.3各单元模块的联接84 软件设计154.1软件设计分析154.2软件设计思路154.2.1主程序154.2.2 超声波测距子程序164.2.3 超声波延时子程序175系统调试185.1硬件调试185.2硬软件联调195.3测试结果分析205.3.1测试波形205.3.2测试中仪器仪表215.3.3 数据分析215.4超声波测距误差分析225.4.1温度误差225.4.2串扰问题226 结论236.1总结与体会236.2 对设计的进一步完善提出意见或建议23附录一、相关设计程序26附录二、设计图和35附录三、实物图36 . . . 1前言1.1 课题的研究背景和意义超声波是指频率高于20KHz的声波，属于机械波的范畴，遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等，正是因为有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量，随着经济的发展，科技水平的不断提高，电子测量技术应用越来越广泛，超声波测量精度高，成本低，性能稳定则备受青睐，超声波测距技术被广泛的应用于人们生活和工作中。由于超声波测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色的影响，比其他仪器更卫生，具有不污染、高可靠、长寿命等特点，被广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、污水处理厂、食品、水文、等行业中，可在不同环境中进行距离的准确度在线标定，可直接用于水酒精、糖等液位控制，能达到工业实用的指标要求。还可以用于移动机器人的视觉系统中，这样可使机器人自动躲避障碍物行走，及时获得障碍物的位置信息，同时超声波测距系统具有以上的这些特点，在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛应用1。1.2 课题的国内外研究现状目前国际国内，在超声波测距方面的研究方向和水平的不同，主要体现在对测距原理、超声波信号处理方法和超声波测距处理器的选用上。常见的超声波测距原理分为渡越时间法和相位差法两种。信号的处理方法大致分为阈值检验法、互相关延时估计法、伪随机码扩频测距法和最小均方法四种。在处理器方面大多以单片机为主，其中以51系列应用最为广泛，采用运算速度更快，效率更高dsp芯片作为处理器，也正成为一个非常活跃的研究方向。目前已研制的超声波测距仪中，量程一般为3-12m，美国AIRMAR公司生产的airducer AR30超声波传感器的作用距离可达30m，但价格昂贵，准确度方面已控制在测量误差的0.4%左右，与真值的差距在厘米级的范围内，若采用互相关或伪随机法，最高可控制在0.05m内，在提高精确度方面，超声波测距还有很大的发展潜力和上升空间2。2 总体方案设计2.1超声波测距的原理 谐振频率高于20 kHz 的声波称为超声波。超声波为直线传播方式, 频率越高, 反射能力越强, 而绕射能力越弱。利用超声波的这种特性, 常常用渡越时间检测法进行距离的测量。其工作原理是:换能器向介质发射超声波, 声波遇到目标后必然有反射回波作用在换能器上。若已知介质中声速为c, 回波到达时刻与发射波时刻的时间差为t, 就可以计算出发射点与反射点的距离s:s= c.t/2 (1)2.2超声波传感器的工作原理及结构图为了研究和利用超声波, 人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲, 超声波发生器可以分为两大类: 即用电气方式和机械方式产生超声波。前者包括压电型、磁致伸缩型和电动型等; 后者有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同, 因而用途也各不相同, 目前较为常用的是压电式超声波发生器，压电式超声波换能器是利用压电晶体谐振来工作的。内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是超声波发生器;如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同4。共 振 板电极压电晶片图 1 超声波传感器结构 以下为型号T/R40-10的超声波传感器的特性参数（T-发射，R-接收，40-中心频率单位kHZ,10-外壳直径单位mm）3单元模块设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计整体电路的控制核心为单片机AT89S52，超声波发射和接收电路都对相应信号进行整形及放大，以保证测量结果尽可能精确。超声波模块传感器实现超声波的发射和接收。整体电路如图6：包括超声波发射电路，超声波接收电路，显示电路等模块组成8。键盘键入估测范围 发射电路 AT89C51 接收电路 LED显示电路 图2.1工作原理超声波测距器工作原理：打开电源，整个电路通电，单片机执行程序，对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式，启动T0， 调用超声波发生子程序，等待反射超声波，计算距离，显示距离；重复。工作过程中，相关的子程序和中断程序被执行，相应硬件配合行动，显示测量结果。3.2 AT89S52型单片机介绍AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止5。其引脚图如图3所示：P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻 辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下， P0不具有内部上拉电阻。 在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于